DE102019101045B4 - Device and method for regulating a vehicle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt (206), wobei die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird (204), wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird (204), wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stell größe (Δu(k)) bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße (Δu(k)) für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß (J) bestimmt wird, wobei das Gütemaß (J) von einer Regelabweichung (e) und einem Regelaufwand abhängt, und dass das Gütemaß (J) abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert.Method for regulating a vehicle, characterized in that a model predictive controller specifies at least one manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems for influencing the driving behavior of a vehicle, the at least one manipulated variable (u) depending on a time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled is determined (204), with a trajectory of future states of the model up to a time horizon being determined (204) for a current state of the model, the trajectory depending on a change in the at least one position variable (Δu (k)) is determined, and the change in the at least one manipulated variable (Δu (k)) for determining the trajectory is approximated by means of at least one Laguerre function, characterized in that the trajectory is dependent on a quality measure (J ) is determined, wherein the quality measure (J) depends on a control deviation (e) and a control effort, and that the quality measure (J) is defined as a function of at least one limit value which characterizes a limitation of an actuating range of an actuator or a limitation for the value of a manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Fahrzeuges gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischem Antrieb, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.The invention is based on a method for regulating a vehicle according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for regulating a vehicle, in particular a vehicle with an electric drive, according to the preamble of claim 6.

Die Publikation „Adel, E.M., Oulandsine, M., &Radouane, L.: Predictive steering control using Laguerre series representation. Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications, 203. CCA 2003., 1, 439-445 vol.1.‟ offenbart bereits ein Verfahren zur Regelung eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The publication "Adel, EM, Oulandsine, M., & Radouane, L .: Predictive steering control using Laguerre series representation. Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications, 203. CCA 2003., 1, 439-445 vol. 1. ‟ already discloses a method for controlling a vehicle according to the preamble of patent claim 1.

DE 10 2017 201 569 A1 offenbart ein Verfahren zum Bereitstellen einer seitlichen Lenksteuerung für ein autonom angetriebenes oder halbautonom angetriebenes Fahrzeug, das entlang einer Fahrbahn fährt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:

  • - das Bereitstellen eines mathematischen Modells der Fahrzeugdynamik, das eine Zustandsvariable, eine Lenksteuerungsvariable und einen zukünftigen Fahrbahnstörungsfaktor beinhaltet, der eine Krümmung, einen Hang und/oder eine Steigung der Fahrbahn definiert;
  • - das Bestimmen eines Lenksteuerungsziels unter Verwendung der Lenksteuerungsvariable, die die Differenz zwischen einem aktuellen Fahrzeugweg und einem gewünschten Fahrzeugweg verringert;
  • - das Bestimmen eines optimalen Lenksteuersignals unter Verwendung des mathematischen Modells, das das Lenksteuerungsziel bereitstellt und das einen Rückkopplungsabschnitt und einen Vorwärtskopplungsabschnitt beinhaltet, wobei der Vorwärtskopplungsabschnitt den Straßenstörungsfaktor beinhaltet; und
  • - das Bereitstellen des Steuersignals an eine Lenkungssteuerung.
DE 10 2017 201 569 A1 discloses a method of providing lateral steering control for an autonomously powered or semi-autonomously powered vehicle traveling along a roadway, the method comprising:
  • the provision of a mathematical model of the vehicle dynamics that includes a state variable, a steering control variable and a future road surface disturbance factor which defines a curvature, a slope and / or a gradient of the road;
  • - determining a steering control target using the steering control variable that reduces the difference between an actual vehicle path and a desired vehicle path;
  • - determining an optimal steering control signal using the mathematical model that provides the steering control target and that includes a feedback section and a feedforward section, the feedforward section including the road disturbance factor; and
  • the provision of the control signal to a steering controller.

Die zunehmende Anzahl von Regelsystemen und Assistenzsystemen in derartigen Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb macht eine friedliche Koexistenz dieser Systeme zunehmend komplexer. Der Aufwand für die Applikation dieser Systeme steigt. Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, insbesondere Fahrzeuge mit Radnabenmotoren bieten zudem völlig neue Freiheitsgrade beispielsweise für Torque Vectoring. Die Effektivität der Regelsysteme und Assistenzsysteme lässt sich durch eine koordinierte Ansteuerung durch einen zentralen Regler steigern. Hierbei ist eine geschlossene Berücksichtigung der Limits der Regelsysteme essenziell für die effektive, zentrale Regelung.The increasing number of control systems and assistance systems in vehicles of this type with electric drive makes the peaceful coexistence of these systems increasingly complex. The effort for the application of these systems increases. Vehicles with electric drive, in particular vehicles with wheel hub motors, also offer completely new degrees of freedom, for example for torque vectoring. The effectiveness of the control systems and assistance systems can be increased by coordinated control by a central controller. Closed consideration of the limits of the control systems is essential for effective, centralized control.

Integrierte Fahrdynamikregler werden eingesetzt, um eine zentrale Regelung zu ermöglichen.Integrated driving dynamics controllers are used to enable central control.

US 2018 / 0 079 272 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Straßenprofil einer Straße an einem bestimmten Ort in einem Steuersystem eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt wird. Das Verfahren sieht vor, dass eine Anpassung eines aktiven Aufhängungssystems des Fahrzeugs erfolgt, wenn sich das Fahrzeug dem bestimmten Ort nähert. US 2018/0 079 272 A1 discloses a method in which a road profile of a road at a particular location is made available in a control system of a vehicle. The method provides that an active suspension system of the vehicle is adapted when the vehicle approaches the specific location.

DE 10 2007 019 053 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs mit einer Aufhängung, wobei das Verfahren während Längsschwingungen des Fahrzeugs das Anpassen eines Aufhängungselements vorsieht, um eine Normalkraft zwischen dem Fahrzeug und der Oberfläche zu verändern. Insbesondere wird ein Vorgehen beschrieben, bei dem die aktive Aufhängung „Online-Lernen“ sowie eine voraussagende Steuerung mit Hilfe eines Modells nutzt. DE 10 2007 019 053 A1 discloses a method of controlling a vehicle having a suspension, the method including adjusting a suspension element during longitudinal vibrations of the vehicle to vary a normal force between the vehicle and the surface. In particular, a procedure is described in which the active suspension uses "online learning" as well as predictive control with the aid of a model.

DE 10 2014 200 031 A1 beschreibt ein Verfahren zum adaptiven und aktiven Steuern eines Aufhängungssystems eines Fahrzeugs mit Straßenvorschau, wobei ein Maß einer Straßen-Anomalität vor dem Fahrzeug bestimmt und die Aufhängung als Reaktion auf den Typ und die Schwere der Anomalität gesteuert wird. Dazu ist insbesondere eine modellprädikative Steuerung vorgesehen. DE 10 2014 200 031 A1 describes a method for adaptively and actively controlling a suspension system of a vehicle with road preview, determining a degree of a road abnormality in front of the vehicle and controlling the suspension in response to the type and severity of the abnormality. In particular, a model-predictive control is provided for this purpose.

Wünschenswert ist es, derartige Systeme weiter zu verbessern.It is desirable to improve such systems further.

Dies wird durch die Vorrichtung und das Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen erreicht.This is achieved by the device and the method according to the independent claims.

Das Verfahren sieht vor, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße für mindestens eine der Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt, wobei die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird, wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird, wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stellgröße bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist. Zudem ist vorgesehen, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß bestimmt wird, wobei das Gütemaß von einer Regelabweichung und einem Regelaufwand abhängt, und dass das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Basierend auf einem internen Fahrzeugmodell werden die zukünftigen Fahrzeugzustände prädiziert und die Regelsystemeingriffe berechnet. Die Koordination der Regler erfolgt aus dem Modellwissen, d.h. über die Wirkung der Regelsysteme des modell-prädiktiven Reglers. Mittels Laguerre-Funktionen lässt sich die Rechenzeit reduzieren. Damit ist der modell-prädiktive Regler auch für den Einsatz in einem Steuergerät für ein Fahrzeug möglich.The method provides that a model-predictive controller specifies at least one manipulated variable for at least one of the plurality of controlled systems for influencing the driving behavior of a vehicle, the at least one manipulated variable being determined as a function of a time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled, wherein a trajectory of future states of the model up to a time horizon is determined for a current state of the model, the trajectory being determined as a function of a change in the at least one manipulated variable, and the change in the at least one manipulated variable for determining the trajectory by means of at least one Laguerre function is approximated. It is also provided that the trajectory is determined as a function of a quality measure, the quality measure depending on a control deviation and a control effort, and that the quality measure is defined as a function of at least one limit value, which is a limitation of a setting range of an actuator or a limitation for the value a manipulated variable for at least one of the large number of controlled systems characterized. Based on an internal vehicle model, the future vehicle states are predicted and the control system interventions are calculated. The controller is coordinated from the model knowledge, ie via the effect of the control systems of the model predictive controller. The computing time can be reduced using Laguerre functions. This means that the model predictive controller can also be used in a control unit for a vehicle.

Das Gütemaß stellt ein definiertes Kriterium dar, mit dem optimale Regelsystemeingriffe bestimmt werden. Dies ermöglicht eine Minimierung der Regelsystemeingriffe, beispielsweise um unnötige Eingriffe zu vermeiden, und eine Minimierung der Abweichung der Ist-Trajektorie von einer Solltrajektorie.The quality measure represents a defined criterion with which optimal control system interventions are determined. This enables a minimization of the control system interventions, for example in order to avoid unnecessary interventions, and a minimization of the deviation of the actual trajectory from a target trajectory.

Da das Gütemaß abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert, werden Grenzen, die durch die Aktuatoren des Fahrzeugs oder die physikalischen Gegebenheiten 5 für eine Regelung vorgegeben sind, berücksichtigt.Since the quality measure is defined as a function of at least one limit value, which characterizes a limitation of an adjustment range of an actuator or a limitation for the value of a manipulated variable for at least one of the large number of controlled systems, limits that are set by the actuators of the vehicle or the physical conditions 5 for a regulation are given.

Vorzugsweise umfasst der modell-prädiktive Regler eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion, die durch ein linearisiertes zeitinvariante Zustandsmodell und Laguerre-Koeffizienten definiert ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen modell-prädiktiven Reglern werden die Laguerre Koeffizienten optimiert. Dies stellt eine besonders schnell berechenbare 0 Prädiktion dar.The model-predictive controller preferably comprises a time-discrete state prediction which is defined by a linearized time-invariant state model and Laguerre coefficients. In contrast to conventional model predictive controllers, the Laguerre coefficients are optimized. This represents a 0 prediction that can be calculated particularly quickly.

Vorzugsweise ist der modell-prädiktive Regler abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße für jeden Zeitschritt bis zu einem Zeithorizont definiert.The model predictive controller is preferably defined as a function of the change in the at least one manipulated variable for each time step up to a time horizon.

Vorzugsweise beeinflussen unterschiedliche Stellgrößen unterschiedliche Fahrzeugkomponenten aus Antrieb, Hinterachslenkung, Steuergerät und/oder Aktuatoren 5 für Torque Vectoring, Allradsystem, Fahrwerksaktuator, insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.Different manipulated variables preferably influence different vehicle components from the drive, rear axle steering, control unit and / or actuators 5 for torque vectoring, all-wheel drive system, chassis actuator, in particular in autonomous driving mode.

Vorzugsweise wird die wenigstens eine Stellgröße abhängig von einer Referenzgröße bestimmt.The at least one manipulated variable is preferably determined as a function of a reference variable.

Die Vorrichtung umfasst einen Mikroprozessor und einen Speicher mit Befehlen, bei deren 0 Ausführung durch den Mikroprozessor das Verfahren ausgeführt wird.The device comprises a microprocessor and a memory with instructions, which, when executed by the microprocessor, execute the method.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine erste Schnittstelle für wenigstens eine Regelgröße und eine zweite Schnittstelle für wenigstens eine Stellgröße, wobei die erste Schnittstelle ausgebildet ist, Information über Regelgrößen von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, Stellgrößen für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.The device preferably comprises a first interface for at least one controlled variable and a second interface for at least one manipulated variable, the first interface being designed to receive information about controlled variables from different controlled systems, the second interface being designed to output manipulated variables for different controlled systems.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

  • 1 schematisch eine Vorrichtung zur zentralen Regelung eines Fahrzeugs,
  • 2 schematisch ein Flussdiagram mit Schritten eines Verfahrens zur Regelung des Fahrzeugs.
Further advantageous refinements emerge from the following description and the drawing. In the drawing shows
  • 1 schematically a device for the central control of a vehicle,
  • 2 schematically a flow diagram with steps of a method for regulating the vehicle.

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 100 zur zentralen Regelung eines Fahrzeugs. Im Beispiel ist das Fahrzeug ein Allradfahrzeug mit Hinterachslenkung, das mit einem Elektromotor angetrieben wird. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Mikroprozessor 102 und einen Speicher 104. 1 shows schematically an apparatus 100 for the central control of a vehicle. In the example, the vehicle is an all-wheel drive vehicle with rear-axle steering that is driven by an electric motor. The device 100 includes a microprocessor 102 and a memory 104 .

Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Schnittstelle 106 für wenigstens eine Regelgröße y und eine zweite Schnittstelle 108 für wenigstens eine Stellgröße u, wobei die erste Schnittstelle 106 ausgebildet ist, Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle 108 ausgebildet ist, Stellgrößen u für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.The device 100 includes a first interface 106 for at least one controlled variable y and a second interface 108 for at least one manipulated variable u, the first interface 106 is designed to receive information about controlled variables y from different controlled systems, the second interface 108 is designed to output manipulated variables u for different controlled systems.

Im Beispiel umfassen die Regelstrecken unterschiedliche Aktuatoren, deren Stellbereiche durch Begrenzungen eingeschränkt sind. Es kann auch eine Begrenzung vorgesehen sein, die den Wert einer Stellgröße für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert. Damit werden die physikalischen Gegebenheiten berücksichtigt.In the example, the controlled systems include different actuators, the adjustment ranges of which are restricted by limitations. A limitation can also be provided which characterizes the value of a manipulated variable for at least one of the plurality of controlled systems. This takes the physical conditions into account.

Die Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken wird über Sensoren erfasst, oder durch Steuergeräte bestimmt, die mit der Vorrichtung 100 über ein Kommunikationsnetzwerk des Fahrzeugs kommunizieren. Die Stellgrößen u für unterschiedliche Regelstrecken werden an die Aktoren oder Steuergeräte für die Ansteuerung der unterschiedlichen Regelstrecken über das Kommunikationsnetzwerk ausgegeben. Das Kommunikationsnetzwerk ist im Beispiel ein controller area network, CAN.The information about controlled variables y from different controlled systems is recorded via sensors or determined by control units that work with the device 100 communicate via a communication network of the vehicle. The manipulated variables u for different controlled systems are output to the actuators or control devices for controlling the different controlled systems via the communication network. In the example, the communication network is a controller area network, CAN.

Im Beispiel soll eine gewünschte Gierrate, Längsgeschwindigkeit und Quergeschwindigkeit eingestellt werden. Im Beispiel wird eine entsprechende Referenzgröße abhängig von einem Einspurmodell für das Fahrzeug bestimmt. Beispielsweise wird ein Lenkwinkel δFfür das Einspurmodell abhängig von einem Soll-Lenkwinkel als Regelgröße, die ein Lenkwinkelsensor liefert, und eine Ist-Geschwindigkeit v des Fahrzeugs, die ein Steuergerät des Fahrzeugs liefert, verwendet, um eine gewünschte Gierrate zu bestimmen.In the example, a desired yaw rate, longitudinal speed and lateral speed are to be set. In the example, a corresponding reference variable is determined depending on a single-track model for the vehicle. For example, a steering angle δ F for the single-track model is dependent on a target steering angle as a control variable that is supplied by a steering angle sensor, and an actual speed v of the vehicle, which is provided by a control unit of the vehicle supplies, used to determine a desired yaw rate.

Dazu wird die charakteristische Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt: ν c h = ( l F + l R ) c s F c s R M ( l R c s R l F c s F )

Figure DE102019101045B4_0001
mit
csRSchräglaufsteifigkeit vorne rechts,
csLSchräglaufsteifigkeit vorne links.To do this, the characteristic speed of the vehicle is determined: ν c H = ( l F. + l R. ) c s F. c s R. M. ( l R. c s R. - l F. c s F. )
Figure DE102019101045B4_0001
With
c sR slip rigidity front right,
c sL Skew stiffness front left.

Abhängig davon wird eine Soll-Gierrate bestimmt: ψ d e s ,1 = ν δ F ( l F + l R ) ( 1 + ν 2 ν c h 2 )

Figure DE102019101045B4_0002
mit δFLenkwinkel des Einspurmodells.Depending on this, a target yaw rate is determined: ψ d e s ,1 = ν δ F. ( l F. + l R. ) ( 1 + ν 2 ν c H 2 )
Figure DE102019101045B4_0002
with δ F steering angle of the single-track model.

Um unrealistisch hohe Werte zu vermeiden, wird die Soll-Gierrate abhängig vom Reibwert µ, der Erdbeschleunigung g und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs v begrenzt auf: ψ d e s = m i n ( ψ ˙ d e s ,1 , μ g ν )

Figure DE102019101045B4_0003
In order to avoid unrealistically high values, the target yaw rate is limited depending on the coefficient of friction µ, the acceleration due to gravity g and the speed of the vehicle v to: ψ d e s = m i n ( ψ ˙ d e s ,1 , μ G ν )
Figure DE102019101045B4_0003

Für einen Soll-Schwimmwinkel wird ein stationärer Zustand mit β̇̇̇̇̇ = 0 angenommen. Damit ist der Soll-Schwimmwinkel abhängig von der Gierrate Ψ̇: β d e s = c s F δ F ( M ν 2 + c s F l F c s R l r ) ψ ˙ ν c s F + c s R

Figure DE102019101045B4_0004
A steady state with β̇̇̇̇̇ = 0 is assumed for a target float angle. The target float angle is therefore dependent on the yaw rate Ψ̇: β d e s = c s F. δ F. - ( M. ν 2 + c s F. l F. - c s R. l r ) ψ ˙ ν c s F. + c s R.
Figure DE102019101045B4_0004

Der Soll-Schwimmwinkel wird beispielsweise auf 5° begrenzt.The target float angle is limited to 5 °, for example.

Der Speicher 104 umfasst Befehle, bei deren Ausführung durch den Mikroprozessor 102 das im Folgenden beschriebene Verfahren ausgeführt wird.The memory 104 includes instructions when executed by the microprocessor 102 the procedure described below is followed.

Im Verfahren wird ein modell-prädiktiver Regler verwendet, der das folgende zeit-diskrete dynamische Modell des zu regelnden Fahrzeugs umfasst: x e r w ( k + 1 ) = [ A m 0 T C m A m I ] x a u g ( k ) + [ B m C m B m ] Δ u ( k )

Figure DE102019101045B4_0005
y ( k ) = [ 0     I ] x a u g ( k )
Figure DE102019101045B4_0006
mit x a u g = [ Δ x m T    e T ]
Figure DE102019101045B4_0007
In the method, a model predictive controller is used which comprises the following discrete time dynamic model of the vehicle to be controlled: x e r w ( k + 1 ) = [ A. m 0 T C. m A. m I. ] x a u G ( k ) + [ B. m C. m B. m ] Δ u ( k )
Figure DE102019101045B4_0005
y ( k ) = [ 0 I. ] x a u G ( k )
Figure DE102019101045B4_0006
With x a u G = [ Δ x m T e T ]
Figure DE102019101045B4_0007

Im Verfahren wird im Beispiel die folgende Regelabweichung verwendet: e = [ y 1 y 1 d e s    y 2 y 2 d e s       y q y q d e s ]

Figure DE102019101045B4_0008
wobei q Regelgrößen y und q Führungsgrößen ydes vorgesehen sind.In the procedure, the following system deviation is used in the example: e = [ y 1 - y 1 d e s y 2 - y 2 d e s y q - y q d e s ]
Figure DE102019101045B4_0008
where q controlled variables y and q reference variables y des are provided.

Die Matrizen des Modells sind wie folgt definiert: A m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m

Figure DE102019101045B4_0009
B m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m
Figure DE102019101045B4_0010
C m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m
Figure DE102019101045B4_0011
wobei die Übertragungsfunktionen fd und gd aus x ( k + 1 ) = f d ( x ( k ) , u ( k ) )
Figure DE102019101045B4_0012
y ( k ) = g d ( x ( k ) , u ( k ) )
Figure DE102019101045B4_0013
verwendet werden.The matrices of the model are defined as follows: A. m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m
Figure DE102019101045B4_0009
B. m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m
Figure DE102019101045B4_0010
C. m = f d ( x , u ) x | x = x m , u = u m
Figure DE102019101045B4_0011
where the transfer functions f d and g d from x ( k + 1 ) = f d ( x ( k ) , u ( k ) )
Figure DE102019101045B4_0012
y ( k ) = G d ( x ( k ) , u ( k ) )
Figure DE102019101045B4_0013
be used.

Das zeit-diskrete dynamische Modell des zu regelnden Fahrzeugs umfasst einen Vektor der Änderung der Stellgrößen Δui(k), der im Beispiel bestimmt wird als Δ u i ( k ) = L i ( k ) T η i

Figure DE102019101045B4_0014
mit den Laguerre Koeffizienten ηi und mit L i ( k ) T = [ l 1 i ( k )   l 2 i ( k )     l 3 i ( k ) ] .
Figure DE102019101045B4_0015
wobei l m ( k ) = Z 1 { Γ m ( z ) }
Figure DE102019101045B4_0016
mit Γ m ( z ) = 1 a 2 1 a z 1 ( z 1 a 1 a z 1 ) N 1
Figure DE102019101045B4_0017
The time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled includes a vector of the change in the manipulated variables Δu i (k), which is determined in the example as Δ u i ( k ) = L. i ( k ) T η i
Figure DE102019101045B4_0014
with the Laguerre coefficients η i and with L. i ( k ) T = [ l 1 i ( k ) l 2 i ( k ) ... l 3 i ( k ) ] .
Figure DE102019101045B4_0015
in which l m ( k ) = Z - 1 { Γ m ( z ) }
Figure DE102019101045B4_0016
With Γ m ( z ) = 1 - a 2 1 - a z - 1 ( z - 1 - a 1 - a z - 1 ) N - 1
Figure DE102019101045B4_0017

Die Anzahl der Laguerre Koeffizienten ηi ist gemäß der Anzahl i der Stellgrößen anpassbar. Für den Pol a des durch inverse z-Transformation eines kontinuierlichen Laguerre Netzwerks erhaltenen diskreten Laguerre Netzwerks mit der Ordnung m gilt im Beispiel: 0 a 1

Figure DE102019101045B4_0018
The number of Laguerre coefficients η i can be adapted according to the number i of manipulated variables. For the pole a of the discrete Laguerre network with order m obtained by inverse z-transformation of a continuous Laguerre network, in the example: 0 a 1
Figure DE102019101045B4_0018

Der Pol a ist ein wählbarer Skalierfaktor, der die Güte der Approximation beeinflusst.The pole a is a selectable scaling factor that influences the quality of the approximation.

Im Beispiel soll für das Fahrzeug eine optimale Regeltrajektorie abhängig von einem Systemmodel des Fahrzeugs erreicht werden. Im Beispiel werden der Zustandsvektor x = [ ν x   ν y   ψ ˙ ] T

Figure DE102019101045B4_0019
und der Vektor u = [ σ x F L   σ x F R   σ x R L   σ x R R   δ R ] T
Figure DE102019101045B4_0020
verwendet, mit
σx FL Längsschlupf des vorderen linken Rads,
σx FR Längsschlupf des vorderen rechten Rads,
σx FL Längsschlupf des hinteren linken Rads,
σx RR Längsschlupf des hinteren rechten Rads, und
δR Hinterachslenkwinkel.In the example, an optimal control trajectory is to be achieved for the vehicle depending on a system model of the vehicle. In the example, the state vector x = [ ν x ν y ψ ˙ ] T
Figure DE102019101045B4_0019
and the vector u = [ σ x F. L. σ x F. R. σ x R. L. σ x R. R. δ R. ] T
Figure DE102019101045B4_0020
used with
σ x FL Longitudinal slip of the front left wheel,
σ x FR Longitudinal slip of the front right wheel,
σ x FL Longitudinal slip of the rear left wheel,
σ x RR Rear right wheel longitudinal slip, and
δ R rear axle steering angle.

Der Vektor u ist im Beispiel für die Ansteuerung der Radschlüpfe und des Hinterachssteuerwinkels dimensioniert. Für eine Vielzahl von Regelstrecken wird der Vektor u beispielweise entsprechend der Anzahl der verfügbaren Stellgrößen dimensioniert.In the example, the vector u is dimensioned for the control of the wheel slips and the rear axle control angle. For a large number of controlled systems, the vector u is dimensioned, for example, according to the number of manipulated variables available.

Die Folgende Gleichung für die Berechnung der Trajektorie des Zustandsvektors x(k + mlk) bis zum Horizont der Prädiktion NP, d.h. für jeden Schritt m < NP nach dem Zeitpunkt k, beschreibt die im Regler verwendete Zeit-diskrete Zustandsprädiktion unter Verwendung eines linearen Zeit-invarianten Zustandsmodells und mit Laguerre Koeffizienten bezüglich der Änderung der Stellgröße Δu: x ( k + m | k ) = A m x ( k ) + ϕ ( m ) T

Figure DE102019101045B4_0021
mit ϕ ( m ) T = j m 1 A m j 1 [ B 1 L 1 ( j ) T   B 2 L 2 ( j ) T   ...   B 3 L 3 ( j ) T ]   η
Figure DE102019101045B4_0022
The following equation for calculating the trajectory of the state vector x (k + mlk) up to the horizon of the prediction N P , ie for each step m <N P after the point in time k, describes the time-discrete state prediction used in the controller using a linear one Time-invariant state model and with Laguerre coefficients with regard to the change in the manipulated variable Δu: x ( k + m | k ) = A. m x ( k ) + ϕ ( m ) T
Figure DE102019101045B4_0021
With ϕ ( m ) T = j m - 1 A. m - j - 1 [ B. 1 L. 1 ( j ) T B. 2 L. 2 ( j ) T ... B. 3 L. 3 ( j ) T ] η
Figure DE102019101045B4_0022

Um ein zufriedenstellendes Fahrzeugverhalten zu erzeugen wird im Beispiel das folgende Gütemaß verwendet, welches minimiert wird um sowohl die Regelabweichung als auch den Regelaufwand zu berücksichtigen: J = η T Q η + 2 η T Ψ x ( k ) + m = 1 N p x ( k ) T ( A T ) m Q A m x ( k )

Figure DE102019101045B4_0023
mit dem Zeithorizont NP und Ω = m = 1 N p ϕ ( m ) Q ϕ ( m ) T + R L
Figure DE102019101045B4_0024
ψ = m = 1 N p ϕ ( m ) Q A m
Figure DE102019101045B4_0025
mit einer positiv semi-definiten Hesse-Matrix Ω, die das Auffinden eines globalen Minimums ermöglicht. Ohne Beschränkungen ist eine Optimierung analytisch lösbar. Werden Grenzen der Aktuatoren oder für die Stellgrößen berücksichtigt, wird ein beschränktes Optimierungsproblem wie folgt definiert: min η   J = η T Q η + 2 η T Ψ x ( k )
Figure DE102019101045B4_0026
unter der Bedingung M η γ
Figure DE102019101045B4_0027
In order to generate a satisfactory vehicle behavior, the following quality measure is used in the example, which is minimized in order to take into account both the control deviation and the control effort: J = η T Q η + 2 η T Ψ x ( k ) + m = 1 N p x ( k ) T ( A. T ) m Q A. m x ( k )
Figure DE102019101045B4_0023
with the time horizon N P and Ω = m = 1 N p ϕ ( m ) Q ϕ ( m ) T + R. L.
Figure DE102019101045B4_0024
ψ = m = 1 N p ϕ ( m ) Q A. m
Figure DE102019101045B4_0025
with a positive semi-definite Hessian matrix Ω, which enables a global minimum to be found. An optimization can be solved analytically without restrictions. If the limits of the actuators or the manipulated variables are taken into account, a limited optimization problem is defined as follows: min η J = η T Q η + 2 η T Ψ x ( k )
Figure DE102019101045B4_0026
under the condition M. η γ
Figure DE102019101045B4_0027

Wobei M und y die Begrenzung beschreiben. Im Beispiel wird eine Begrenzung für einen maximal gewünschten Radschlupf und Hinterachssteuerwinkel verwendet. Diese Beschränkungen begrenzen die Änderungsgeschwindigkeit der Stellgrößen ΔU(min/max) und der Absolutwerte U(min/max) wie folgt: [ M Δ U M Δ U M U M U ] η [ Δ U m a x Δ U m i n U m a x U ( k 1 ) Δ U m i n + U ( k 1 ) ]

Figure DE102019101045B4_0028
mit M U = [ i = 0 k 1 L 1 ( i ) T 0 2 T   0 m T 0 1 T i = 0 k 1 L 2 ( i ) T 0 m T 0 1 T 0 2 T i = 0 k 1 L m ( i ) T ]
Figure DE102019101045B4_0029
und M Δ U = [ L 1 ( m ) T 0 2 T   0 m T 0 1 T L 2 ( m ) T 0 m T 0 1 T 0 2 T L m ( m ) T ]
Figure DE102019101045B4_0030
Where M and y describe the limit. In the example, a limit for a maximum desired wheel slip and rear axle steering angle is used. These restrictions limit the rate of change of the manipulated variables ΔU (min / max) and the absolute values U (min / max) as follows: [ M. Δ U - M. Δ U M. U - M. U ] η [ Δ U m a x Δ U m i n U m a x - U ( k - 1 ) - Δ U m i n + U ( k - 1 ) ]
Figure DE102019101045B4_0028
With M. U = [ i = 0 k - 1 L. 1 ( i ) T 0 2 T 0 m T 0 1 T i = 0 k - 1 L. 2 ( i ) T 0 m T 0 1 T 0 2 T i = 0 k - 1 L. m ( i ) T ]
Figure DE102019101045B4_0029
and M. Δ U = [ L. 1 ( m ) T 0 2 T 0 m T 0 1 T L. 2 ( m ) T 0 m T 0 1 T 0 2 T L. m ( m ) T ]
Figure DE102019101045B4_0030

Das im Folgenden anhand der 2 beschriebene Verfahren startet beispielsweise wenn das Fahrzeug gestartet wird.The following based on the 2 The method described starts, for example, when the vehicle is started.

Anschließend wird ein Schritt 202 ausgeführt.Then there is a step 202 executed.

Im Schritt 202 wird Information über Regelgrößen y von unterschiedlichen Regelstrecken empfangen. Im Beispiel wird ein Vektor y bestimmt, der die Regelgrößen der unterschiedlichen Regelstrecken umfasst.In step 202 information about controlled variables y is received from different controlled systems. In the example, a vector y is determined that includes the controlled variables of the different controlled systems.

Anschließend wird ein Schritt 204 ausgeführt.Then there is a step 204 executed.

Im Schritt 204 wird für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont Np bestimmt und die wenigstens eine Stellgröße u abhängig vom zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt.In step 204 a trajectory of future states of the model up to a time horizon N p is determined for a current state of the model and the at least one manipulated variable u is determined as a function of the time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled.

Der modell-prädiktive Regler ist im Beispiel abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße Δu für jeden Zeitschritt bis zum Zeithorizont Np definiert.In the example, the model predictive controller is defined as a function of the change in the at least one manipulated variable Δu for each time step up to the time horizon N p .

Der modell-prädiktive Regler führt eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion aus, die durch das beschriebene lineare zeitinvariante Zustandsmodell und die Laguerre-Koeffizienten ηi definiert ist.The model-predictive controller carries out a time-discrete state prediction which is defined by the linear time-invariant state model described and the Laguerre coefficients η i .

Die Trajektorie wird vorzugsweise abhängig vom Gütemaß J bestimmt. Das Gütemaß J hängt im Beispiel von der Regelabweichung e und dem Regelaufwand ab. Das Gütemaß J ist im Beispiel abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators definiert. Der Grenzwert kann auch eine Begrenzung für den Wert einer der Stellgrößen u charakterisieren.The trajectory is preferably determined as a function of the quality measure J. In the example, the quality factor J depends on the control deviation e and the control effort. In the example, the quality measure J is defined as a function of at least one limit value which defines a limitation of an adjustment range of an actuator. The limit value can also characterize a limit for the value of one of the manipulated variables u.

Anschließend wird ein Schritt 206 ausgeführt.Then there is a step 206 executed.

Im Schritt 206 wird die wenigstens eine Stellgröße u zur Ansteuerung wenigstens einer der Regelstrecken vorgegeben. Unterschiedliche Stellgrößen u beeinflussen im Beispiel unterschiedliche Fahrzeugkomponenten. Fahrzeugkomponenten sind beispielsweise der insbesondere elektrische Antrieb, die Hinterachslenkung, ein Steuergerät und/oder Aktuatoren für Torque Vectoring, ein Allradsystem, ein Fahrwerksaktuator.In step 206 the at least one manipulated variable u for controlling at least one of the controlled systems is specified. Different manipulated variables u influence different vehicle components in the example. Vehicle components are, for example, the electric drive in particular, the rear axle steering, a control unit and / or actuators for torque vectoring, an all-wheel drive system, and a chassis actuator.

Anschließend wird der Schritt 202 ausgeführt. Das Verfahren endet beispielsweise, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet wird.Then the step 202 executed. The method ends, for example, when the vehicle is switched off.

Die Beeinflussung der Fahrzeugkomponenten erfolgt insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb.The vehicle components are influenced in particular in an autonomous driving mode.

Claims (7)

Verfahren zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein modell-prädiktiver Regler wenigstens eine Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken für die Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines Fahrzeugs vorgibt (206), wobei die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einem zeit-diskreten dynamischen Modell des zu regelnden Fahrzeugs bestimmt wird (204), wobei für einen aktuellen Zustand des Modells eine Trajektorie zukünftiger Zustände des Modells bis zu einem Zeithorizont bestimmt wird (204), wobei die Trajektorie abhängig von einer Änderung der wenigstens einen Stell größe (Δu(k)) bestimmt wird, und wobei die Änderung der wenigstens einen Stellgröße (Δu(k)) für die Bestimmung der Trajektorie mittels wenigstens einer Laguerre-Funktion approximiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie abhängig von einem Gütemaß (J) bestimmt wird, wobei das Gütemaß (J) von einer Regelabweichung (e) und einem Regelaufwand abhängt, und dass das Gütemaß (J) abhängig von wenigstens einem Grenzwert definiert ist, der eine Begrenzung eines Stellbereichs eines Aktuators oder eine Begrenzung für den Wert einer Stellgröße (u) für wenigstens eine der Vielzahl von Regelstrecken charakterisiert.Method for regulating a vehicle, characterized in that a model predictive controller specifies at least one manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems for influencing the driving behavior of a vehicle, the at least one manipulated variable (u) depending on a time-discrete dynamic model of the vehicle to be controlled is determined (204), with a trajectory of future states of the model up to a time horizon being determined (204) for a current state of the model, the trajectory depending on a change in the at least one position variable (Δu (k)) is determined, and the change in the at least one manipulated variable (Δu (k)) for determining the trajectory is approximated by means of at least one Laguerre function, characterized in that the trajectory is dependent on a quality measure (J ) is determined, where the quality measure (J) depends on a control deviation (e) and a control effort, and that the quality aß (J) is defined as a function of at least one limit value, which characterizes a limitation of a control range of an actuator or a limitation for the value of a manipulated variable (u) for at least one of the plurality of controlled systems. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modell-prädiktive Regler eine Zeit-diskrete Zustands-Prädiktion umfasst, die durch ein lineares zeitinvariante Zustandsmodell und Laguerre-Koeffizienten (ηi) definiert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model-predictive controller comprises a time-discrete state prediction which is defined by a linear time-invariant state model and Laguerre coefficients (η i ). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modell-prädiktive Regler abhängig von der Änderung der wenigstens einen Stellgröße (Δu(k)) für jeden Zeitschritt (k) bis zu einem Zeithorizont (Np) definiert ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the model predictive controller is defined as a function of the change in the at least one manipulated variable (Δu (k)) for each time step (k) up to a time horizon (Np). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Stellgrößen (u) unterschiedliche Fahrzeugkomponenten aus Antrieb, Hinterachslenkung, Steuergerät und/oder Aktuatoren für Torque Vectoring, Allradsystem, Fahrwerksaktuator, insbesondere in einem autonomen Fahrbetrieb beeinflussen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that different manipulated variables (u) influence different vehicle components from the drive, rear-axle steering, control unit and / or actuators for torque vectoring, all-wheel drive system, chassis actuator, in particular in autonomous driving. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stellgröße (u) abhängig von einer Referenzgröße bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one manipulated variable (u) is determined as a function of a reference variable. Vorrichtung (100) zur Regelung eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) einen Mikroprozessor (102) und einen Speicher (104) mit Befehlen umfasst, bei deren Ausführung durch den Mikroprozessor (102) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt wird.Device (100) for controlling a vehicle, characterized in that the device (100) comprises a microprocessor (102) and a memory (104) with commands, when they are executed by the microprocessor (102) the method according to one of the Claims 1 to 5 is performed. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine erste Schnittstelle (106) für wenigstens eine Regelgröße (y) und eine zweite Schnittstelle (108) für wenigstens eine Stellgröße (u) umfasst, wobei die erste Schnittstelle (106) ausgebildet ist, Information über Regelgrößen (y) von unterschiedlichen Regelstrecken zu empfangen, wobei die zweite Schnittstelle (108) ausgebildet ist, Stellgrößen (u) für unterschiedliche Regelstrecken auszugeben.Device (100) after Claim 6 , characterized in that the device (100) comprises a first interface (106) for at least one controlled variable (y) and a second interface (108) for at least one manipulated variable (u), the first interface (106) being designed as information to receive controlled variables (y) from different controlled systems, the second interface (108) being designed to output manipulated variables (u) for different controlled systems.
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